使用磁热材料的热产生器

摘要

本发明有关一小巧、多用途之高热效率的磁热(magneto－calorific)之热产生器，其具有一最大热交换系数，同时可被简单地工业化，以便响应于一工业及家庭应用之宽广范围。该热产生器(1)之特征为其包含有至少一热量模块(10)，该热量模块由许多热量组件(40)所构成，且进行堆叠及配置以便于在彼此之间界定用于热传送流体循环之通道，这些通道被分成热通道与冷通道，在该热通道中系流动该热环路之热传送流体而在该冷通道中系流动该冷环路之热传送流体，该等热及冷通道系于该等热量组件(40)之间交错，且其中该等热量组件具有流体入口及出口孔口，该等孔口彼此相通，以便分别在该等对应之热与冷通道中分配每一热与冷收集器环路之热传送流体的流动。本案之应用：在任何工业或家庭装置中之加热、温度调节、空调或冷冻。

说明书

技术领域

[01]本发明有关一磁热之热产生器，其包含有基于磁热材料之热量组件；磁性机构，其配置成可在该等热量组件中建立磁场之变化及造成其温度变化；至少二分开之收集器环路，一收集器环路称为“热的”，且一收集器环路称为“冷的”，于每一个该等收集器环路中系循环一分开之热传送流体，视其功能性循环而定，该热传送流体配置成可分别收集由该等热量组件所散发之卡路里及千卡/时；及将该等收集器环路连接至外部环路之机构，该外部环路系设计成可使用所收集之卡路里及千卡/时(frigories)。

背景技术

[02]相对于该等传统之产生器，使用某些材料之磁热效果的新颖热产生器提供一非常有利之生态学的另一选择，就可持续的发展及减少温室效应之情况而言，该等传统之热产生器系注定消失的。然而，为了能以经济方式实施及提供良好之热效率，此等产生器与恢复由这些材料所散发之卡路里及千卡/时的机构之设计系极端重要的，记住该很短循环时间、所产生之小温度梯度、及有限磁性强度。所恢复之能量系与该磁热材料之质量、该磁场之强度、及与该热传送流体之交换时间紧密地有关。已知一热交换器之传送因素系与交换表面积相对于该热传送流体接触该交换表面之流动速率有关。因此，该交换表面积越大，则该传送系数越高。在已知产生器中，一收集器环路被用作恢复机构，此环路横越该等热量组件，而在该等热量组件中系流动单一热传送流体，该热传送流体交互地馈入一冷环路及一热环路。其结果是，此解决方法建立一高热惯性，该高热惯性系非常不利于该产生器之能量效率。

[03]由本案申请人所提出之法国专利申请案第05/08963号提议一种新的产生器设计，其中该等热量组件系由二分开之收集器环路、即一热收集器环路及一冷收集器环路所横越，并于每一个该等收集器环路之中循环一分开之热传送流体。每一热量组件采取由一堆叠之肋条式板件所构成之棱柱形状插件的形式，该等肋条式板件由磁热材料所制成，于相互通道之间以一建立二分开之收集器环路的方式用于该热传送流体之循环。这些热插件系安装在一板件上，该板件设有合适之外壳及连接该等不同热插件的对应收集器环路之导管。假设具有一用于该热环路之流体及一用于该冷环路之流体，及增加该交换表面积与因此增加该产生器之热效率，此解决方法具有消除热传送流体之热惯性的优点。然而，其具有难以实现工业化、极昂贵、且非模块式构形之缺点。

发明内容

[04]本发明企图藉由提出一磁热之热产生器克服这些缺点，该热产生器系小巧及多用途的，具有高能量效率及一最大之传送系数，同时易于在合理之成本下工业化，且具有一模块式构形，而能够使其响应于一工业及家庭应用之宽广范围。

[05]为此目的，本发明有关一种在序文中所论及之热产生器，其特征为其包含有至少一热量模块，该热量模块由很多热量组件所构成，且堆叠及配置成便于界定于用于热传送流体之循环的相互通道之间，这些通道被分成热通道与冷通道，在该热通道中流动该热环路之热传送流体、而在该冷通道中流动该冷环路之热传送流体，且其中该等热量组件具有流体入口及出口孔口，该等孔口彼此相通，以便在该等对应之热与冷通道中分别分配每一热与冷收集器环路之热传送流体的流动。

[06]此阶梯式结构允许热次组合件、所谓热量模块之建立，并拥有平行之通道，这些热量模块系以串连及/或并联地连接在一起。此结构能够使每个热量模块之已堆叠热量组件的数目可根据流体流动之所需速率而变化，且并列放置之热量模块的数目可根据所需之温度范围而变化，并提供非常优秀之模块性。

附图说明

[07]本发明及其优点将由下文作为一非限制性范例的数个具体实施例之叙述及参考该等附图面而变得更明显，其中：

[08]图1系根据本发明之热产生器的一分解视图；

[09]图2与图3系图1中之产生器构形之二范例的透视图；

[10]图4系一进入图1中之产生器的组成物之热量模块的立体图；

[11]图5系图1中之产生器的一末端之局部剖面之详细视图；

[12]图6A系图4中之热量模块的前视图，图6B系图4之细部A的一放大立体图，且图6C系图6B之边缘的一平面图；

[13]图7A系图4中显示二热量区段之模块的二热量组件的一局部视图，且图7B及7C系根据图6A中之热量组件的剖线BB与CC之剖视图；

[14]图8A系一热量区段之轴向剖视图，且图8B系该细部D的一视图；

[15]图9A系装有一插件的热量区段之轴向剖视图，且图9B系该细部E的一视图；

[16]图10A、10B、11A与11B系根据本发明之热量组件的二实施变异型之前视图与后视图；

[17]图12及图13系磁热零件之变异型；

[18]图14及图15系磁热插件之变异型；

[19]图16A系根据另一实施变异型的热量区段之立体图，且图16B系该细部F的一视图；

[20]图17A系根据本发明之热量模块的第一实施变异型之立体图，且图17B系该细部G的一视图；

[21]图18A系根据本发明之热量模块的第一实施变异型之立体图，图18B系此模块之次组合件的一视图，且图18C系图18B之细部H的一视图；

[22]图19A系根据本发明之热量模块的第三实施变异型之立体图，且图19B系该细部I的一视图。

具体实施方式

[23]参考图1，根据本发明之热产生器1包含有一组六个堆叠之热量模块10，并藉由分配器盘片20所连接及藉由密封凸缘30所关闭。该等热量模块10之数目及结构系视该想要之性能而变化。所示之密封凸缘30具有四个孔口31及32，即设有二馈入孔口31及二排出孔口32，该等孔口设计成可连接至一外部热环路及连接至一外部冷环路(未显示)，该等环路分别使用由此热产生器1所产生之卡路里及千卡/时。根据需求，该连接能在该产生器1之单一侧面上或在两侧面上完成。该等分配器盘片20具有孔口21及分配沟槽22，并允许该等不同热量模块10之热及冷收集器环路的串连、并联、或以串连/并联方式组合连接在一起，且与外部之热及冷环路连接。如于图1及图4中，这些分配器盘片20能成对地配置，每一盘片系用于其中一个该等收集器环路。它们亦可由两侧之单一盘片(未显示)所形成，该盘片具有设有孔口21及分配沟槽22的一特别配置，以便施行相同功能。

[24]于图1之范例中，此热产生器1具有一轴杆2，该轴杆2可旋转或以轴向方式移动，并承载二正相反相向之磁性组合件3，此轴杆系藉由任何产生连续、不连续、序列的或往复式运动之习知的致动器(未显示)所驱动。该磁性组合件3之数目、位置及型式能根据该等热量模块10之结构被修改及决定。这些磁性组合件3能由永久磁铁、电磁铁、超导电磁铁、或任何其他型式之磁铁所形成。由于永久磁铁于尺寸、使用之简单性、及低成本方面的优点，该较佳之选择系永久磁铁。该等永久磁铁可为实心的、已烧结的、已胶黏或层叠，并与一或多种可磁化材料组合，该等可磁化材料集中及引导其磁力线。该等热量模块10可被安置在一内部套筒4及一外部套筒5(参见图5)中，以提供额外之密封。于此情况下，这些套筒4及5之末端系藉由密封件33而耦接至该密封凸缘30。如果该等热量模块10之结构系使得其能够获得充分之密封，可删除该内部套筒4及/或该外部套筒5。

[25]该等热量模块10系为一衔铁(armature)6所围绕，该衔铁较佳地是由一铁磁性材料所制成，该衔铁之主要功能系封闭由该等磁性组合件3所产生之磁通量。于一未显示之实施变异型中，由该等磁性组合装件3所产生之磁通量可藉由在该外部周边之额外的机动或静态磁性组合件所封闭。该等热量模块10能藉由使用任何习知机构而系紧以进行组装，该等机构诸如延伸于该二密封凸缘30间之拉杆34，或藉由轴承而安装在该轴杆2上之夹子(未显示)。任何其他组装模式系可预见的，该基本因素为于彼此之间以机械方式支撑该等热量模块，且密封该产生器之内部热及冷收集器环路。

[26]于所说明之不同范例中，该热产生器1呈现一圆形之构形，亦即该等热量模块为环状及配置成环绕着一承载该等磁性组合件3之轴杆2。本发明亦延伸至一具有一直线构形(未显示)之热产生器，其中该等热量组件系以线性方式配置，且该磁性机构系以一往复式或连续运动所驱动。

[27]如图2中所示，该等热量模块10能藉由任何习知机构被安装在一基座7上。于此范例中，该热产生器1包含有五个热量模块10之二组合装件，其藉由分配器盘片20所连接(看不见)并由密封凸缘30所封闭。该基座7承载一致动器8，该致动器8以并联方式配置及藉由任何习知传动型式(未显示)耦接至该产生器之轴杆。该致动器8能配置成与该轴杆2成一直线并能直接耦接至该轴杆2。于图3中，该热产生器1包含有四个组合件，每个组合件具有从头到脚安装在一基座7上之六个热量模块10。单一致动器8系藉由任何习知型式之机械式传动装置(未显示)耦接至每一组合件之轴杆2。这些范例产生各种可能构形之概念。因为其模块式结构，根据本发明之热产生器1系可根据所需之加热或冷却能力无限地构形，并可预见用于每一应用所需之流体流动速率。该致动器8能由产生一机械式扭矩之任何系统所构成，例如一风力发动机、液压涡轮、内燃机、电动机、基于动物或肌肉能量的马达、旋转式致动器或其他装置。于一电致动器之情况下，该能量可来自一光电转换器、一太阳能电池、一风力发动机、主要电力(main electricity)、一发电机或其他装置。

[28]每一热量模块10系由若干(N个)完全相同或互补之几何形状的热量组件40所构成，以使它们被堆叠。一热量模块之范例系说明在图4中，且包含有十七个以呈轴向方式进行堆叠之扁平圆环的形式之热量组件40。这些热量组件40系详细说明于图6A-C及图7A-C中，且具有将在通道50之间界定用于一热传送流体之循环之特色，这些所谓的热通道，在其中系流动该热收集器环路之流体；而所谓的冷通道，在其中系流动该冷收集器环路之流体。这些热及冷通道50系交替地位于该等热量组件40之间，使得每一热量组件40在一侧边上具有一热通道50及在另一侧边上具有一冷通道50。为了要产生一层流或具有或不具有流体旋涡的低扰流之流动目的，这些通道50具有一低厚度，其譬如由0.01至10毫米，及较佳地是由0.15至1.5毫米，而使得该热的热传送流体之液流流动于二个邻接的热量组件40之间，且冷的热传送流体之液流流动于下二个邻接的热量组件40之间。这些热量组件40具有入口孔口及出口孔口52，该等孔口放置成与一呈平行构形之特定收集器环路之通道50相通。这些热量组件40亦可被分成数个完全相同或不相同之分离热量区段53，每一热量区段具有一通道50、一入口孔口51、及一出口孔口52，以便在流体之每一液流中建立平行之环路。这样一来，每一收集器环路中之热传送流体的流动在第一时间可被分隔成热量区段53之数目S/2，接着在第二时间可被分隔成堆叠之热量组件40的数目N/2。热传送流体的流动之此阶梯式分配允许该流动比率及每一通道50中之流体的液流之速率中之一相当可观的减少，而此可增加该传送系数及同时减少能量损失。

[29]于一未显示之版本中，隔板能被插入该等热量组件40之间，以便界定该等通道50及提供密封，该隔板系为像是铁氟龙或类似之板片。

[30]于图4、图6A-C及图7A-C之范例中，该热量模块10之热量组件40被分隔成八个完全相同之热量区段53，其延伸超过大约45度。图7A显示二个邻接热量组件40的热量区段53中之热传送流体的通道。每一热量区段53具有四个孔口：横越其通道50及与其通道50相通的一入口孔口51及一出口孔口52、并且横越以便与该下一热量组件40之通道50相通的一入口孔口51与一出口孔口52。视该等磁性组合件3相对于该热量模块10之角位置，在该等不同热量区段53的通道50中循环之热传送流体系主动或被动。于遭受该磁场之热量区段53中，该热收集器环路之热传送流体系主动的，而于其他未遭受该磁场之热量区段53中，该冷收集器环路之热传送流体系主动的。同时，在那些相同之区段中，该冷及热收集器环路之热传送流体系被动的。

[31]于此范例中，每一热量组件40具有许多藉由一支撑件70所承载之热传导插件，该等插件60占据该支撑件70之大多数面积。该等插件60具有一圆形区段之形状，且系譬如由经切割、机器加工或铸造之磁热材料所制成。该“磁热材料”一词意指一部分或完全由磁热物质所制成之材料，该磁热物质例如：钆(Gd)、包含有像是硅(Si)、锗(Ge)的钆合金、包含有像是铁(Fe)、镁(Mg)、磷(P)的锰合金、镧合金、镍(Ni)之合金、任何其他同等可磁化材料或合金、或不同磁热材料之组合，而该等材料系以粉末、颗粒、固体或多孔块件、形成迷你或显微通道之堆叠沟槽式板件的组合件之形式呈现。这些磁热材料间之选择系根据所需之加热或冷却动力及该需要之温度范围。

[32]该支撑件70可为弹性或坚硬的，且可由具有或不具有填充料的天然或合成之材料所制成，该材料系为热塑性材料、弹性体、树脂或任何其他绝热材料。其能藉由机械加工、藉由立体平版印刷术之3D印刷、蚀刻、铸造、射出或类似制程所获得。较佳的是过压成型围绕着插件，该等插件之前面及后面保持可看见。该支撑件70可配置成结合数个功能：用于维持该等插件60之功能；当作该等堆叠热量组件40间之隔板以确保该等通道50厚度的功能；用于当堆叠该等热量组件时在该等热量组件40之间密封的功能；及如果需要，一索引及/或定位之功能，以有利于该等热量组件40彼此之间的组装与定位。于一未显示之变异型中，该支撑件能以磁热材料之颗粒或纤维充填，以便加入一热量功能。

[33]环状之热量组件40系详细地表示在图7A并以剖面方式表示在图7B及7C中。其呈现一大约长方形之剖面，且在其形成用于第一热传送流体循环的通道50之前面具有凹入区域、及在其封闭用于该第二热传送流体循环之下一热量组件40的通道50之后面具有一平坦区域。在这个情况下，该通道50系在该底部藉由该等插件60之前面及在该等侧面藉由该支撑件70之边缘所界定。该等热量组件40之平坦的后面系藉由该等插件60之后面及该支撑件70所界定。该支撑件70之前面可具有一或多个连续或不连续之中心肋条71，该等中心肋条将该通道50分开成至少二部份，以便改善于该等插件60之整个表面上之流体分配。于另一未显示之实施变异型中，该支撑件70可在其前面及后面上具有形成该通道50之凹入区域，该通道50用于该等热及冷热传送流体之循环。该支撑件70之前面及后面形成该密封表面，并当该等热量组件40系以一紧密配置方式进行堆叠时，该密封表面可确保密封该等通道50。清楚的是：实践相同功能之任何其他方式是合适的。其亦系可能变化该支撑件70及/或该等插件60之某些区域的厚度，以便影响该流体液流之厚度及因此影响其流动之速率。

[34]该等热量组件40可具有其他构形。图10A及图10B分别说明具有六个分开之完全相同热量区段53的热量组件40之前视图及后视图，该等热量区段延伸大约超过60度，每一热量区段由插件60所构成。于图11A及图11B中，该热量组件40仅只具有二个分开之完全相同的热量区段53，该等热量区段延伸大约超过180度，每一热量区段由插件60所构成。以圆形形式之区段可具有不同之几何形状或任何形状。它们亦可藉由条带61所取代，如于第12图所显示之范例中，这些条带61系可用于具有二热量区段53之热量组件40中，如于第11图中所显示。该等插件60亦可被一圆环62所取代，可分开该圆环以形成互连之插件，或任何其他同等之形状。在相同方式下，于磁热材料60、61及62中之这些不同部份能具有平坦表面，以如于第14图之插件60中促进无扰动之流体流动，或在另一方面具有至少一个形成沟槽63或类似形式之表面浮雕部件，以便如于第15图之插件60中增加与该热传送流体之交换面积。视这些沟槽63相对流体之流动的形状及方位而定，可建立扰动，以便增加该传送系数。在图16A中所说明之热量组件40具有插件60，该等插件在两面上具有倾斜之沟槽64，其细部系于图16B中。这些倾斜之沟槽64在流体之液流中建立漩涡，一般已知为涡流。

[35]于一特定之热量模块10中，系以平行方式馈入一特定收集器环路的通道50之入口孔口51及出口孔口52。为提供热传送流体于该等不同通道50中均匀分配，至少该等入口孔口51较佳地是应具有一横截面，该横截面在流体流动之方向中减少。此构形系表示在图8A及图8B中，且允许一特定体积之流体在每一个该等通道50中以相同之流动速率循环，以便获得该相同之传送系数及如此减少能量损失。然而，对于每一热量组件40，此构形需要一不同形状。另一解决方法包括建立一具有减少横截面孔口73之插件72，按照图9A及图9B所说明之范例，此插件72系安置在该等热量组件40的完全相同横截面之入口孔口内侧。此解决方法大幅地简化此一结构之工业生产。此外，该插件72能够让该等热量组件40互相对齐，并防止任何旋转。清楚的是：这些范例可应用于该等出口孔口52，在这个情况下，该等出口孔口具有一于流体流动之方向中增加的横截面。

[36]于一未显示之变异型中，一特定热量模块10之热量组件40可相对彼此具有一角偏置，使得该等入口孔口51及出口孔口52未沿着该轴对齐，而于一螺旋状之路径中对齐，该螺旋状之路径有利于该热传送流体进入该等通道50及离开该等通道。

[37]该等热量模块10亦可具有其他结构。于图17A及图17B所说明之热量模块11具有N个呈轴向堆叠式扁平圆环之形式的热量组件41。每一热量模块41具有于分配在六个热量区段53中为磁热材料的圆形插件60，该通道50以一锯齿形方式在这些插件60上方循环。图18A说明三个热量模块12之一组合件，每一个热量模块由三个以轴向方式组装之完全相同的次组合件所形成。其中一个该等次组合件系说明于图18B，且包含有三个以径向方式堆叠而为同心圆环形式的热量组件42，且在彼此之间界定该等通道50。每一热量组件42具有分配在六个热量区段53中为磁热材料之圆形插件60。此实施变异型说明具有轴向堆叠之径向堆叠的组合。图19A具有以轴向方式组装之六个完全相同的热量模块13之一组合件。每一热量模块13包含有十四个完全相同之次组合件，该等次组合件系为一圆形区段的形式，且并行地组装，以建立一圆柱形管。一次组合件系详细地说明于图19B中，且包含有八个呈重叠条带之形式的热量组件43，该等条带在彼此之间界定该等通道50；每一热量组件43可完全或部分地由一磁热材料制成。

[38]这些范例未受限制，且其目的系说明该等热量模块10-13可能构形的变化性，而此允许根据本发明建立一无限范围之磁热的热产生器。

[39]在相同方式中，该热传送流体之化学组成系设计成适于所需温度范围，且系经选择，以获得最大之热传送。其可为液体、气体或双相性。如果其系液体，用于正的温度，吾人将譬如使用纯水，及用于负的温度，吾人将譬如使用水，而诸如羟乙酸盐产物之防冻结化合物已加至该水。如此，该热产生器1允许吾人避免任何对人类或其环境具腐蚀性或有害之流体的使用。

[40]可能之工业应用：

[41]包含有根据本发明之热产生器1的所有该等零件可使用能重复之工业制程而进行大量生产。此热产生器1之模块化及小巧设计允许制成标准之热量组件40-43及热量模块10-13，而根据用于一特定之应用的所需之温度范围及该流体流动速率，该等热量组件40-43及热量模块10-13能被结合、组装、及串连、并联、或以串连/并联组合地连接。此设计对于工业及家庭应用之宽广范围、在低成本及以小尺寸提供一响应，提供未能以今日产生器形式所供给之性能。

[42]该热产生器1之阶梯式结构有效地允许每一收集器环路中之热传送流体的流动被分开数次。热传送流体之此阶梯式分配允许每一通道50中之流体的流动可由相同的系数被分开，减少能量损失及增加该传送系数。该热传送面积系借着该复数通道50所增加，且该传送系数可可应地较大。此外，相对磁热材料之质量，该等热量组件10-13之设计大幅地减少该支撑件70中之惰性物质的质量，而此可进一步改善一特定尺寸的产生器1之热效率。

[43]本发明不限于所叙述之具体实施例的范例，并可延伸至对于习知技艺者来说为明显之任何修改或变异，同时仍属于所附申请专利所界定之保护范围内。

【主要组件符号说明】

1热产生器

2轴杆

3磁性组合件

4内部套筒

5外部套筒

6衔铁

7基座

8致动器

10热量模块

11热量模块

12热量模块

13热量模块

20分配器盘片

21孔口

22分配沟槽

30密封凸缘

31馈入孔口

32排出孔口

33密封件

34拉杆

40热量组件

41热量模块

42热量组件

43热量组件

50通道

51入口孔口

52出口孔口

53热量区段

60磁热材料

61磁热材料

62磁热材料

63沟槽

64沟槽

70支撑件

71中心肋条

72插件

73孔口